库仑定律的发现.doc

库仑定律的发现和验证
库仑定律是电磁学的基本定律之一。它的建立既是实验经验的总结,也是理论研究的成果。特别是力学中引力理论的发展,为静电学和静磁学提供了理论武器,使电磁学少走了许多弯路,直接形成了严密的定量规律。从库仑定律的发现可以获得许多启示,对阐明物理学发展中理论和实验的关系,了解物理学的研究方法均会有所裨益。
卡文迪什(Henry Cavendish,1731~1810)。他在1773年用两个同心金属壳作实验,如图2-1。外球壳由两个半球装置而成,两半球合起来正好形成内球的同心球。卡文迪什这样描述他的装置:
图2-1为卡文迪什两个同心金属壳作实验
“,用一根实心的玻璃棒穿过中心当作轴,并覆盖以封蜡。……,1/20英寸厚。……然后,我用一根导线将莱顿瓶的正极接到半球,使半球带电。”
卡文迪什通过一根导线将内外球联在一起,外球壳带电后,取走导线,打开外球壳,用木髓球验电器试验内球是否带电。结果发现木髓球验电器没有指示,证明内球没有带电,电荷完全分布在外球上。
卡文迪什将这个实验重复了多次,确定电力服从平方反比定律,。
卡文迪什这个实验的设计相当巧妙。他用的是当年最原始的电测仪器,却获得了相当可靠而且精确的结果。他成功的关键在于掌握了牛顿万有引力定律这一理论武器,通过数学处理,将直接测量变为间接测量,并且用上了示零法精确地判断结果,从而得到了电力的平方反比定律。
卡文迪什为什么要做这个实验呢?话还要从牛顿那里说起。
牛顿在研究万有引力的同时,还对自然界其他的力感兴趣。他把当时已知的三种力——重力、磁力和电力放在一起考虑,认为都是在可感觉的距离内作用的力,他称之为长程力(long-range force)。他企图找到另外两种力的规律,但都未能如愿。磁力实验的结果不够精确。他在《原理》的第三篇中写道:
“重力与磁力的性质不同。……磁力不与所吸引的物质的量成比例。……就其与距离的关系,并不是随距离的平方而是随其三次方减小。这是我用粗略的试验所测的结果。”
至于电力,他也做过实验,但带电的纸片运动太不规则,很难显示电力的性质。
在长程力之外,他认为还有另一种力,叫短程力(short-range force)。他在做光学实验时,就想找到光和物质之间的作用力(短程力)的规律,没有实现。他甚至认为还有一些其他的短程力,相当于诸如聚合、发酵等现象。
卡文迪什和米切尔的工作
牛顿的思想在卡文迪什和另一位英国科学家米切尔的活动中得到了体现。米切尔是天文学家,也对牛顿的力学感兴趣。在1751年发表的短文《论人工磁铁》中,他写道:
“每一磁极吸引或排斥,在每个方向,在相等距离其吸力或斥力都精确相等……按磁极的距离的平方的增加而减少,”他还说:“这一结论是从我自己做的和我看到别人做的一些实验推出来的。……但我不敢确定就是这样,我还没有做足够的实验,还不足以精确地做出定论。”
既然实验的根据不足,为什么还肯定磁力是按距离的平方成反比地减少呢?甚至这个距离还明确地规定是磁极的距离,可是磁极的位置又是如何确定的呢?显然,是因为米切尔先已有了平方反比的模式。
在米切尔之前确有许多人步牛顿的后尘研究磁力的规律,例如:哈